О ВОЗМОЖНОСТИ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ НА УГЛЕ
О. Фриш
ОТ РЕДАКТОРА. Приводимая ниже статья перепечатана ежегодника
Королевского института по использованию энергетических ресурсов за 40905
год, стр. 1001.
В связи с острым кризисом, вызванным угрозой истоще-л урановых и
ториевых залежей на Земле и Луне, редакция ^считает полезным призвать к
самому широкому распространению информации, содержащейся в этой статье.
ВВЕДЕНИЕ. Недавно найденный сразу в нескольких местах уголь (черные,
окаменевшие остатки древних растений) открывает интересные возможности "для
создания неядерной энергетики. Некоторые месторождения несут следы
эксплуатации их доисторическими людьми, которые, по-видимому, употребляли
уголь для изготовления ювелирных изделий и чернили им лица во время
погребальных церемоний.
Возможность использования угля в энергетике связана с тем фактом, что
он легко окисляется, причем создается высокая температура с выделением
удельной энергии, близкой к 0,0000001 мегаватт-дня на грамм. Это, конечно,
очень мало, но запасы угля, по-видимому, велики и, возможно, исчисляются I
мил л ионами тонн.
Главным преимуществом угля следует считать его очень маленькую по
сравнению с делящимися материалами критическую массу. Атомные
электростанции, как известно, становятся неэкономичными при мощности ниже 50
мегаватт, и угольные электростанции могут оказаться вполне эффективными в
маленьких населенных пунктах с ограниченными энергетическими потребностями.
ПРОЕКТИРОВАНИЕ УГОЛЬНЫХ РЕАКТОРОВ. Главная трудность заключается в
создании самоподдерживающейся и контролируемой реакции окисления топливных
элементов. Кинетика этой реакции значительно сложнее, чем кинетика ядерного
деления, и изучена еще слабо. Правда, дифференциальное уравнение,
приближенно описывающее этот процесс, уже получено, но решение его возможно
лишь в простейших частных случаях. Поэтому корпус угольного реактора
предлагается изготовить в виде цилиндра с перфорированными стенками. Через
эти отверстия будут удаляться продукты горения. Внутренний цилиндр,
коаксиальный с первым и также перфорированный, служит для подачи кислорода,
а тепловыделяющие элементы помещаются в зазоре между цилиндрами.
Необходимость закрывать цилиндры на концах торцовыми плитами создает
трудную, хотя и разрешимую математическую проблему.
ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩИЕ ЭЛЕМЕНТЫ. Изготовление их, по-видимому, обойдется
дешевле, чем в случае ядерных реакторов, так как нет необходимости заключать
горючее в оболочку, которая в этом случае даже нежелательна, поскольку она
затрудняет доступ кислорода. Были рассчитаны различные типы решеток, и уже
самая простая из них - плотноупакованные сферы, - по-видимому, вполне
удовлетворительна.
Расчеты оптимального размера этих сфер и соответствующих допусков
находятся сейчас в стадии завершения. Уголь легко обрабатывается, и
изготовление таких сфер, очевидно, не представит серьезных трудностей.
ОКИСЛИТЕЛЬ.ЧИСТЫЙ кислород идеально подходит для этой цели, но он
дорог, и самым дешевым заменителем является воздух. Однако воздух на 78%
состоит из азота. Если даже часть азота прореагирует с углеродом, образуя
ядовитый газ циан, то и она будет источником серьезной опасности для
здоровья обслуживающего персонала (см. ниже).
УПРАВЛЕНИЕ и КОНТРОЛЬ .Реакция начинает идти лишь при довольно высокой
температуре (988° по Фаренгейту). Такую температуру легче всего получить,
пропуская между внешним и внутренним цилиндрами реактора электрический ток в
несколько тысяч ампер при напряжении не ниже 30 вольт. Торцовые пластины в
этом случае необходимо изготовлять из изолирующей керамики, и это вместе с
громоздкой батареей аккумуляторов значительно увеличит стоимость установки.
Для запуска можно использовать также какую-либо реакцию с самовозгоранием,
например между фосфором и перекисью водорода, и такую возможность не следует
упускать из виду.
Течение реакции после запуска можно контролировать, регулируя подачу
кислорода, что почти столь же просто, как управление обычным ядерным
реактором с помощью регулирующих стержней.
КОРРОЗИЯ. Стенки реактора должны выдерживать температуру выше 1000°К в
атмосфере, содержащей кислород, азот, окись и двуокись углерода, двуокись
серы и различные примеси, многие из которых еще неизвестны. Немногие металлы
и специальная керамика могут выдержать такие условия. Привлекательной
возможностью является никелированный ниобий, но, возможно, придется
использовать чистый никель.
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ. Выделение ядовитых газов из реактора представляет
серьезную угрозу для обслуживающего персонала. В состав этих газообразных
продуктов, помимо исключительно токсичных окиси углерода и двуокиси серы,
входят также некоторые канцерогенные соединения, такие, как фенантрен.
Выбрасывание их непосредственно в атмосферу недопустимо, поскольку приведет
к заражению воздуха в радиусе нескольких миль. Эти газы необходимо собирать
в контейнеры и подвергать химической детоксификации. При обращении как с
газообразными, так и с твердыми продуктами реакции необходимо использовать
стандартные методы дистанционного управления. После обеззараживания эти
продукты лучше всего топить в море.
Существует возможность, хотя и весьма маловероятная, что подача
окислителя выйдет из-под контроля. Это приведет к расплавлению всего
реактора и выделению огромного количества ядовитых газов. Последнее
обстоятельство является главным аргументом против угля и в пользу ядерных
реакторов, которые за последние несколько тысяч лет доказали свою
безопасность. Пройдут, возможно, десятилетия, прежде чем будут разработаны
достаточно надежные методы управления угольными реакторами.
(О. ФРИШ - известный физик-теоретик, профессор Тринити-колледжа
Кембридж, Англия, член Королевского общества.)
Физики шутят
yaplakal.com